牙轮钻头是石油与天然气钻井工程中重要的破岩工具之一，其寿命直接影响着钻井效率和成本。然而，牙轮钻头在恶劣环境下钻进时，钻速慢、寿命低的问题表现得尤为突出。密封是牙轮钻头阻挡泥浆进入的关键防线，一旦失封就会导致轴承迅速磨损和钻头失效。牙轮钻头失效分析表明，轴承密封是牙轮钻头失效的关键因素。现有牙轮钻头密封失效严重，导致钻头失效严重、钻井效率降低、钻井成本増加。西南石油大学机电工程学院周已副教授针对牙轮钻头密封难问题提出了一种新型的“牙轮钻头螺旋磁流体复合密封结构”，具有主动排砂、自动补偿封浆效应等优点。通过仿真与试验方法研究该结构的耐压机理，揭示了工况参数对该结构的耐压性能的影响规律，为后续的工程应用提供一定的理论指导。相关研究认识刊登在《石油学报》第45卷第12期。
（1）开展牙轮钻头螺旋磁流体复合密封磁场数值仿真研究。研究磁通密度分布、磁感应强度分布的影响规律，得到最大磁感应强度为3.6978T，最小磁感应强度为0.24T，极靴顶部处存在较大的磁感应强度梯度，验证了该密封结构具有一定的耐压能力。根据理论耐压计算得到耐压值为1.09MPa，大于牙轮钻头密封腔内外名义压力差0.7MPa，验证了密封结构的可行性。
（2）开展牙轮钻头螺旋磁流体复合密封磁流耦合数值仿真研究。研究结果表明，该结构在泥浆中的耐压值比理论耐压值小，为0.96MPa，满足其耐压要求。通过研究转速和温度对该结构耐压性能的影响，得到当转速为50r/min时，耐压能力最强，约为1.03MPa。当转速为250r/min时，耐压能力最弱，约为0.773MPa。随着转速增大，耐压能力降低。当温度为60℃时，耐压能力最强，约为0.99MPa。当温度为180℃时，压能力最差，约为0.752MPa。与转速相比，温度对密封结构耐压性能的影响较小。
（3）开展牙轮钻头螺旋磁流体复合密封试验研究。试验结果表明，转速的提升对密封结构的整体耐压能力影响呈下降趋势。当转速为50～250r/min时，耐压性能良好。当转速超过250r/min后，耐压性能稳定性下降。温度对该结构的耐压性能影响规律与转速是一致的，随着温度的提升，耐压能力呈下降趋势。当温度为60～150℃时，耐压性能良好，温度越高，耐压值递减的幅度就越大。
论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202412010
